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虛擬演播室系統(tǒng)分析
虛擬演播室系統(tǒng)分析
`99中國(guó)西部地區(qū)電視技術(shù)協(xié)會(huì)技術(shù)論文一等獎(jiǎng)虛擬演播室系統(tǒng)誕生的時(shí)間不長(zhǎng)，但它的發(fā)展卻比當(dāng)初人們預(yù)料的要快，并迅速成為電視領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，業(yè)界人士都在為如何在更短的時(shí)間里，花更少的錢，做出更多的節(jié)目而絞盡腦汁。因此，電視節(jié)目制作的效率和產(chǎn)出率必須提高，以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。而虛擬演播室技術(shù)正是在這一領(lǐng)域進(jìn)入角色。虛擬演播室(Virtual Studio)技術(shù)，簡(jiǎn)稱VS，又稱虛擬布景技術(shù)。它將攝像機(jī)拍攝的圖像實(shí)時(shí)地與計(jì)算機(jī)三維圖形進(jìn)行合成，從而形成一種新的電視節(jié)目制作系統(tǒng)。它具有一些傳統(tǒng)演播室無(wú)法達(dá)到的功能和優(yōu)點(diǎn)，它可以更為有效的利用演播室資源，節(jié)省大量的制景費(fèi)用及裝、拆布景所耗費(fèi)的時(shí)間和人力，這一技術(shù)還使編導(dǎo)、美工人員擺脫了時(shí)間、空間及道具制作方面的限制，充分發(fā)揮其想象力進(jìn)行自由創(chuàng)造，并能完成一些其它技術(shù)做不到的特技效果，為電視制作開辟了一個(gè)嶄新的空間。
一．虛擬演播室技術(shù)與色鍵技術(shù)
色鍵技術(shù)是電視節(jié)目制作中常用的技術(shù)。站在藍(lán)色幕布前面的演播室主持人由前景攝像機(jī)拍攝，在特技機(jī)的色鍵電路中，由主持人的畫面產(chǎn)生鍵信號(hào)，在主持人畫面與背景畫面進(jìn)行疊加時(shí)，由鍵信號(hào)挖去背景中藍(lán)色以外的畫面，而把主持人的圖像嵌插在背景畫面中，形成了主持人置身于背景畫面的圖像，這種技術(shù)俗稱為“摳像”，在普通的色鍵技術(shù)中，背景畫面往往是已經(jīng)錄制好的節(jié)目。
虛擬演播室技術(shù)與色鍵技術(shù)十分相像，它也是由前景的主持人為主的畫面和背景畫面，采用色鍵的方法構(gòu)成一體，產(chǎn)生人物置身于背景的組合畫面。然而，在真正的虛擬演播室技術(shù)中，背景是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的，計(jì)算機(jī)接受攝像機(jī)的控制，隨著攝像機(jī)的推拉搖移，改變俯仰角度，計(jì)算機(jī)相應(yīng)改變畫面的大小和角度，并且為了正確再現(xiàn)前景與背景的空間透視關(guān)系，還需對(duì)前景和背景實(shí)施空間鎖定， 這種空間鎖定是通過(guò)精確測(cè)定攝像機(jī)的所有定位參數(shù)(包括鏡頭調(diào)整參數(shù))來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
二、虛擬演播室的原理
虛擬演播室的原理如圖(1)所示，主持人一般是在呈“U”型或“L”型的藍(lán)箱里做著各種表演，實(shí)際的、或“真實(shí)”的前景攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍攝，背景圖像(畫面裝飾、道具和風(fēng)光布景)大都是三維立體圖，由制作人員預(yù)先用計(jì)算機(jī)生成(即預(yù)先著色好)，前景與背景圖像在傳輸或錄制過(guò)程中混合。這種合成圖像的制作方式即被稱為“虛擬”。故此，這種圖像攝錄系統(tǒng)也被稱為“虛擬攝像機(jī)”，與傳統(tǒng)的藍(lán)幕色鍵技術(shù)截然不同的是，虛擬演播室技術(shù)中的真實(shí)攝像機(jī)(前景圖像)與虛擬攝像機(jī)(產(chǎn)生背景圖像)始終保持同步互鎖，為此，必須對(duì)真實(shí)攝像機(jī)的以下參數(shù)進(jìn)行確定：
(1)藍(lán)幕背景的X、Y、Z坐標(biāo)值。
(2)攝像機(jī)的俯仰、搖移以及可旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)值。
(3)鏡頭的焦距和聚焦。
然后，真實(shí)攝像機(jī)的所有上述參數(shù)都送入計(jì)算機(jī)分析，系統(tǒng)對(duì)與前景圖像相關(guān)的虛擬背景圖像發(fā)出控制指令。最后，錄有表演者和真實(shí)道具的前景圖像與計(jì)算機(jī)生成的背景圖像在色鍵控制器里合成為一幅畫面，傳送至視頻切換臺(tái)輸出。
由此可見，虛擬演播室系統(tǒng)可分解為三個(gè)部分：攝像機(jī)跟蹤部分、計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景生成部分及視頻合成部分。
1.攝像機(jī)跟蹤部分。
攝像機(jī)在拍攝過(guò)程中有平移X、縱移Y、高度移Z、水平角、俯仰角、鏡頭變焦Z00M，聚焦FOCUS等變化，這些參數(shù)的改變會(huì)引起所攝圖像視野與視角的改變，為了模擬人物所在的三維環(huán)境，計(jì)算機(jī)必須根據(jù)這些參數(shù)不斷調(diào)整三維視圖。而攝像機(jī)跟蹤部分的作用正是收取攝像機(jī)的位置信息和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的跟蹤真實(shí)攝像機(jī)，以保證前景與計(jì)算機(jī)背景“聯(lián)動(dòng)”。由于這種“聯(lián)動(dòng)”是以高速計(jì)算機(jī)運(yùn)算的結(jié)果，而這種運(yùn)算永遠(yuǎn)是存在著一個(gè)運(yùn)算時(shí)間，所以這種“聯(lián)動(dòng)”是有時(shí)間差的。只是設(shè)計(jì)者保證使這種時(shí)間差在一個(gè)人眼不易察覺的范圍之內(nèi)，因此要求前景攝象機(jī)只能在一個(gè)有限的速率內(nèi)改變位置參數(shù)。 目前虛擬演播室的攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)主要有以下幾種方式。
(1) 基于傳感器的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)通過(guò)安裝在攝像機(jī)各部分的機(jī)械傳感器來(lái)獲取各種信號(hào)參數(shù)， 平面X、Y位移傳感器，一般有光電式、機(jī)械式和導(dǎo)軌式等幾種，光電式屬非接觸型，誤碼率低，連續(xù)性好，且攝像機(jī)移動(dòng)不受限制，但必須在攝像機(jī)移動(dòng)通道地面畫上格點(diǎn)，以便識(shí)別。機(jī)械式屬接觸型，由一個(gè)與地面相摩擦的圓球帶動(dòng)水平、垂直兩個(gè)方向的光電碼盤，光電碼盤送出X、Y數(shù)據(jù)，此方式攝像機(jī)移動(dòng)也不受限制，但使用時(shí)間長(zhǎng)了易產(chǎn)生誤差。導(dǎo)軌式誤碼率低，且必須鋪設(shè)軌道，使攝像機(jī)的移運(yùn)受到一定的限制。 高度位移Z傳感器，一般安裝在升降機(jī)上，隨升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)Z信號(hào)。 水平角度和俯仰角度傳感器安裝在攝像機(jī)云臺(tái)上，并分別與云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)軸和垂直轉(zhuǎn)軸連動(dòng)。 聚焦Focus和變焦Z00M傳感器，則附于鏡頭的聚焦齒輪和變焦齒輪處。 該系統(tǒng)速度很快，方法較為簡(jiǎn)便直接，是目前虛擬演播室最常用的攝像機(jī) 跟蹤方式，但該方式有其固有的缺點(diǎn)，比如得到的攝像機(jī)參數(shù)精度不高，限制了攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的標(biāo)定很麻煩等等。
(2)基于圖形分析系統(tǒng) 該方式需要把一個(gè)精確的網(wǎng)絡(luò)圖案以兩種不同的藍(lán)色形狀繪制于藍(lán)背景上，通過(guò)攝像機(jī)識(shí)別這種圖案并與計(jì)算機(jī)跟蹤軟件及硬件，預(yù)先確定的模型進(jìn)行對(duì)比，以確定物體與虛擬背景的透視關(guān)系及距離。 該系統(tǒng)精度較高，無(wú)需鏡頭校準(zhǔn)，同時(shí)攝像機(jī)可以不同軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但該系統(tǒng)在對(duì)藍(lán)色網(wǎng)格圖案制作色鍵過(guò)程中的陰影很難處理，很難保持良好的鍵的質(zhì)量，攝像機(jī)拍攝不能垂直于藍(lán)色網(wǎng)格圖案，必須偏離30度角以上，否則不能準(zhǔn)確定位，而且攝像機(jī)必須同時(shí)觀察4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)以保持跟蹤，這就不可能對(duì)人物進(jìn)行特寫鏡頭的拍攝，攝像機(jī)必須緩慢移動(dòng)以避免跟蹤混淆引起跳幀。還有一點(diǎn)，此系統(tǒng)需要額外的工作站把網(wǎng)格坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為搖移，俯仰及變焦坐標(biāo)信息供圖形計(jì)算機(jī)使用，這樣圖案辨識(shí)的延時(shí)有時(shí)高達(dá)8至12幀。鑒于上述須待解決的若干問(wèn)題，網(wǎng)格識(shí)別方案在目前的虛擬演播室系統(tǒng)中使用的不多。
2.計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景生成部分
虛擬演播室的場(chǎng)景是計(jì)算機(jī)繪制的圖形，計(jì)算機(jī)繪圖有二維和三維之分，因而虛擬場(chǎng)景也有二維和三維之分，二維場(chǎng)景沒(méi)有厚度，只是一個(gè)平面圖形，所以二維虛擬場(chǎng)景只能作為背景平面，出現(xiàn)在真實(shí)人物的后面，而三維虛擬場(chǎng)景中的景物具有Z方向的厚度，是立體的，以背景中的一個(gè)長(zhǎng)方體為例，長(zhǎng)方體是一種六面體，其底面和背面一般是看不見的。然而隨拍攝角度的不同，有可能看見其正面，側(cè)面和頂面。在計(jì)算機(jī)中應(yīng)保存其正面、側(cè)面和頂面的圖像，實(shí)際上，在計(jì)算機(jī)內(nèi)，其正面、側(cè)面和頂面的圖像都分解為像素的形式，保存在存儲(chǔ)器中，當(dāng)攝像機(jī)處于任意的角度位置時(shí)，計(jì)算機(jī)即進(jìn)行計(jì)算，獲得相應(yīng)的畫面。同時(shí)，三維的場(chǎng)景中，虛擬景物既能作為真實(shí)人物的前景出現(xiàn)，也能作為背景出現(xiàn)如圖(2)所示: 并且真實(shí)人物還能圍繞虛擬景物運(yùn)動(dòng)如圖(3)所示：
這樣在視覺效果上更具縱深感，更加真實(shí)。顯然對(duì)于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力、運(yùn)算速度提出了很高的要求。當(dāng)然還必然進(jìn)一步考慮許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，比如燈光和陰影的問(wèn)題，當(dāng)攝像機(jī)改變其取向位置時(shí)，根據(jù)照明條件，陰影部分將發(fā)生相應(yīng)的變化，背景畫面應(yīng)該能夠反映出這種變化。
3.視頻合成部分
虛擬演播室系統(tǒng)視頻合成的基本技術(shù)是色鍵器摳像，攝像機(jī)拍攝的藍(lán)幕布前的真實(shí)景物：通過(guò)色鍵器進(jìn)行摳像處理，與計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景合成一個(gè)畫面。
(1)深度合成技術(shù)
虛擬演播室的一個(gè)基礎(chǔ)就是前景和背景合成的時(shí)候，前景的演員可以被背景的內(nèi)容覆蓋，為了做到這一點(diǎn)，一般都采用深度合成技術(shù)。所謂深度就是前后關(guān)系，這一種技術(shù)要考慮兩路鍵信號(hào)的深度信息，就可以讓背景的內(nèi)容在演員前面。這不同于二維圖像的層技術(shù)。因?yàn)槭侨S圖像的各像素都帶有深度信息，而且各像素還有與攝像機(jī)的距離的信息，由這兩部分的信息決定前景和背景的像素的可見性。在實(shí)時(shí)生成的時(shí)候，高性能的終端通常使用一個(gè)深度緩沖區(qū)來(lái)貯存像素的深度值，但是在常規(guī)演播室里面，實(shí)際信號(hào)是沒(méi)有深度信息的。而且也沒(méi)有一個(gè)方法能夠?qū)崟r(shí)的賦予前景信號(hào)以深度信息，可以采用一個(gè)估計(jì)值，即估計(jì)攝像機(jī)與演員之間的距離，前景信號(hào)通過(guò)色鍵摳像得到演員部分的信號(hào)，先與背景作常規(guī)意義上的合成，得到色鍵序列值，這一部分確定了前景在背景中的位置，再由深度值來(lái)進(jìn)行前后關(guān)系的調(diào)整，最后輸出的深度鍵值序列就確定了前景和背景的可見性，能夠按常規(guī)方法合成。
(2)同步技術(shù)
要使前景和背景天衣無(wú)縫的合成，既要讓兩個(gè)攝像機(jī)的參數(shù)保持一致，還要讓兩個(gè)攝像機(jī)同步，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)合成時(shí)，前景信號(hào)的每一幀是與背景信號(hào)的對(duì)應(yīng)幀合成。背景信號(hào)因?yàn)閿z像機(jī)跟蹤系統(tǒng)和實(shí)時(shí)生成都要耗費(fèi)時(shí)間，所以要讓前景信號(hào)延時(shí)來(lái)保證與背景信號(hào)的同步合成。
三、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
從上面的原理分析可以發(fā)現(xiàn)，虛擬演播室每生成一幀圖像，就要處理相當(dāng)多的數(shù)據(jù)，在實(shí)拍時(shí)還要求處理速度，達(dá)到實(shí)時(shí)的電視速率，即一秒鐘就有25幀圖像，如果按常規(guī)的處理方法，一切由計(jì)算機(jī)串行處理，是絕對(duì)不可能完成的，這就對(duì)虛擬演播室的軟硬件設(shè)計(jì)提出了較高的要求：
1.硬件工作平臺(tái)
為了使虛擬背景畫面與攝像機(jī)攝取的前景畫面相配合，系統(tǒng)至少要工作在配置有視頻處理板的SGI高性能工作站，同時(shí)為了完成實(shí)時(shí)的圖像序列生成，必須把這個(gè)任務(wù)按處理內(nèi)容分類進(jìn)行并行處理；實(shí)時(shí)的完成攝像機(jī)跟蹤運(yùn)算，完成人工背景和實(shí)際信號(hào)深度，支持三維自動(dòng)建摸的多重處理，對(duì)于預(yù)處理結(jié)果的描述和圖像處理的工作，每一個(gè)任務(wù)要有一個(gè)專門的硬件來(lái)完成。
2.軟件系統(tǒng)
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想是根據(jù)硬件的并行處理的特點(diǎn)，一般采用自適應(yīng)并行處理的計(jì)算。這個(gè)處理在實(shí)際上就是由一系列的處理器組成的服務(wù)器盒，這個(gè)服務(wù)器盒能完成虛擬演播室所需的各種處理，另外，自適應(yīng)并行處理模式將運(yùn)行和編程分開。不需要在編寫程序時(shí)作并行處理的考慮，因此該種設(shè)計(jì)方法，因?yàn)樘幚韱?wèn)題較為靈活而成為虛擬演播室軟件設(shè)計(jì)思想的主流。
四、虛擬演播室的現(xiàn)狀與未來(lái)
自從1994年第一套虛擬演播室在國(guó)際廣播電視會(huì)議上展示以來(lái)，世界上有很多廠家推出了自己的虛擬演播室系列，但主要的有四個(gè)廠家即：
(1)以色列的ORAD公司以其獨(dú)有的模式識(shí)別技術(shù)和圖像處理技術(shù)開發(fā)出高性能Cyberset O及入門級(jí)Cyberset Et系列產(chǎn)品。
(2)離散邏輯公司的Vapour是采用高性能終端，全功能的實(shí)時(shí)虛擬演播室系統(tǒng)。
(3)E S公司的Mindset是基于NT平臺(tái)，采用Orad公司的攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)，能夠接多個(gè)攝像機(jī)。
(4)RTSET公司的Larus Otus采用傳感器跟蹤技術(shù)，速度快，提供了靈活的合成能力。
另外還有ACCOM的ELSET自動(dòng)生成特征，讓用戶能很方便的根據(jù)自己的意愿來(lái)建模和燈光設(shè)計(jì)；Digmedia的Brainstorm Estuio產(chǎn)品是采用模式識(shí)別方法定出攝像機(jī)的參數(shù)，在建模上功能比較強(qiáng)；For-A的Didi Wmp采用了Orad公司的視頻處理和延時(shí)設(shè)備，采用多通道結(jié)構(gòu)，能實(shí)時(shí)處理等。
因?yàn)楦咝阅墚a(chǎn)品整套系統(tǒng)的價(jià)格比較高，難以普及，所以各廠家又推出了入門級(jí)產(chǎn)品，如Orad的Cyberset E以滿足眾多的電視臺(tái)和影視制作單位，采用性能較低的終端如：SGIO2采用WINDOWS NT作為平臺(tái)，進(jìn)行非實(shí)時(shí)的圖像合成，系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)充到高性能的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
就目前情況看，虛擬演播室相對(duì)于傳統(tǒng)演播室的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的，但就其未來(lái)的發(fā)展，虛擬演播室還需要解決其自身的若干缺限：
·藍(lán)景區(qū)中主持人及演員的活動(dòng)范圍及定位。
·為抑制噪聲邊緣需要在實(shí)施鍵控時(shí)格外小心。
·普遍使用的槽置單調(diào)光、柔光。
·演員投在虛擬地面、墻面和人工景物上真實(shí)陰影的保存。
·自動(dòng)Z鍵(深度信息)控制。
·前后景的同步及延時(shí)控制。
結(jié)論
雖然虛擬演播室還有其自身一些有待解決的問(wèn)題，但我們完全有理由相信，隨著計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)及多媒體技術(shù)的發(fā)展，隨著視頻數(shù)字化的發(fā)展，虛擬演播室技術(shù)會(huì)日趨完善，其前景非常廣闊，必將會(huì)帶動(dòng)電視領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。
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